Бактерии разлагающие органические вещества

Смрад выгребных ям и свалок, гниющие органические останки – все это вызывает у людей стойкое чувство отвращения. Но, когда первая реакция проходит, и включается здравый смысл, приходит понимание, что это обязательный процесс жизни. За любым гниением можно увидеть зарождающуюся новую жизнь. Это вечный круговорот веществ в природе. И как ни разнообразны живые организмы на планете, удивительно, что единственные из них, которые отвечают за разложение – это бактерии гниения.

Что разлагается

Процессы разложения – это весь спектр реакций, в результате которых сложные вещества разлагаются до простых и более стойких. Процессом гниения (аммонификацией) называют разложение до простых молекул органических веществ, содержащих азот и серу. Сходный процесс – брожение – это разложение безазотистых органических веществ – сахаров или углеводов. И тот и другой процессы осуществляют микроорганизмы. Выяснение механизма данных процессов началось с опытов Луи Пастера (1822-1895). Если же посмотреть на бактерии гниения исключительно с химической точки зрения, то мы увидим, что причинами этих процессов является нестойкость органических соединений и микроорганизмы выступают лишь как возбудители химических реакций. Но и белок, и кровь, и животные под воздействием бактерий подвергаются разным типам гниения, то главенствующая роль именно микроорганизмов неоспорима.

Изучение предмета продолжается

Гниение имеет огромное значение как в экономии природы, так и в человеческой деятельности: от технических производств до развития болезней. Прикладная бактериология родилась всего порядка 50 лет назад, трудности изучения и сегодня громадны. Но перспективы огромны:

• Гниение и брожение активно используется в различных производствах – разделение растительных веществ, растительных волокон и стебля, зерен от мякоти и многое другое. Изучение процессов и микроорганизмов сулит новые технологии.
• Удаление органики необходимо при придании прочности растительным материалам (бумаги, древесины, ткани). И новые технологии этих производств уже в пути.
• Бактерии незаменимы в технологиях генной инженерии и производстве биологических лекарств. а их способности захватывать и выводить болезнетворные организмы сулит прорыв в медицине.

Кто же они – эти деструкторы?

Бактерии – это целое царство одноклеточных прокариотических (не имеющих ядра) организмов, которое начитывает порядка 10 тысяч видов. Но это нам известных, а вообще предполагается существование более миллиона видов. Они появились на планете задолго до нас (3-4 миллиона лет назад), были первыми ее обитателями и во многом именно благодаря им Земля стала пригодной для развития других форм жизни. Впервые в собственноручно деланный микроскоп «анималькули» увидел в 1676 году голландский натуралист Антони ван Левенгук. Только в 1828 году они получили свое название благодаря работам Христиана Эренберга. Развитие увеличительной техники позволило Луи Пастеру в 1850 году описать физиологию и метаболизм бактерий гниения и брожения, в том числе болезнетворных. Именно Пастер, изобретатель вакцины против сибирской язвы и бешенства, читается основателем бактериологии – науки о бактериях. Второй выдающийся бактериолог – немецкий врач Роберт Кох (1843-1910), открывший холерный вибрион и туберкулезную палочку.

Такие простые и такие сложные

По форме бактерии могут быть шаровидные (кокки), прямые палочки (бациллы), выгнутые (вибрионы), спиральные (спириллы). Они могут объединяться – диплококки (два кокка), стрептококки (цепочка кокков), стафилококки (гроздь кокков). Клеточная стенка из муреина (полисахарида в соединении аминокислотами) придает форму организму и защищает содержимое клетки. Мембрана клетки из фосфолипидов может впячиваться и одержит комплексы органов движения (жгутиков). В клетках нет ядра, а в цитоплазме находятся рибосомы и кольцевая ДНК (плазмид). Органелл нет, а функции митохондрий, хлоропластов выполняют мезосомы – выпячивания мембраны. У некоторых имеются вакуоли: газовые выполняют функцию перемещения в толще воды, а в запасающих находятся гликоген или крахмал, жиры, полифосфаты.

Как они питаются

По типу питания бактерии бывают автотрофные (сами синтезируют органические вещества) и гетеротрофные (потребляют готовые органические вещества). Автотрофы могут быть фотосинтетиками (зеленые и пурпурные) и хемосинтетиками (нитрифицирующие, серобактерии, железобактерии). Гетеротрофы бывают сапротрофами (используют продукты жизнедеятельности, отмершие останки животных и растений) и симбионты (используют органику живых организмов). Гниение и брожение осуществляют сапротрофные бактерии. Для осуществления обмена веществ одним бактериям необходим кислород (аэробы), а другим он не нужен (анаэробы).

Армии нашей не счесть

Бактерии обитают везде. Буквально. В каждой капле воды, в каждой луже, на камнях, в воздухе и почве. Перечислим лишь некоторые группы:

• Почвообразующие бактерии гниения – среда обитания почва, именно они обеспечивают круговорот веществ и без них планета покрылась бы трупами.
• Азотфикирующие бактерии – усваивают азот из воздуха, симбионты бобовых растений.
• Молочнокислые – предпочитают в пищу молочные продукты.
• Группа бактерий кишечных палочек – живут в нашем кишечнике и помогают в расщеплении углеводов.
• Болезнетворные – это все бактерии-возбудители заболеваний.
• Метанобактерии – бактерии, которые сделали для нас тот самый метан, на котором вы подогреете борщ.

Оптимальные условия

Для гниения необходимы определенные условия, и именно лишение бактерий этих условий лежит в основе нашей кулинарии (стерилизация, пастеризация, консервирование и так далее). Для интенсивного процесса гниения необходимо:

• Наличие самих бактерий.
• Внешние условия – влажная среда, температура +30-40 °С.

Варианты возможны различные. Но вода является неотъемлемым атрибутом гидролиза органических веществ. А ферменты работают только в определенном температурном режиме.

Главные аммонификаторы

Бактерии гниения, живущие в почве земли, это самая распространенная группа прокариот. Они играют важную роль в круговороте азота и возвращают в почву минеральные вещества (минерализуют) так необходимые растениям для процессов фотосинтеза. Форма бактерий, их отношение к наличию кислорода и способы питания разнообразны. Основные представители данной группы это спорообразующие клостридии, бациллы и неспорообразующие энтеробактерии.

Этапы разложения органики

Стадии разложения органических веществ бактериями гниения с химической точки зрения довольно сложны. В целом этот процесс осуществляется следующим образом:

• Метаболизм бактерий (ферментативная составляющая) основан на их возможности разорвать связи в молекулах азотсодержащих органических соединений. В процессе своего питания они захватывают белки и аминокислоты.
• В конечном итоге при воздействии ферментов-протеаз, в процессе гидролиза они разлагают их до простых неорганических веществ.
• Продукты. Полученные в результате этих химических реакций идут на постройку собственного организма и используются для накопления энергии в виде аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

Сенная палочка

Самая изученная бактерия – Bacillus subtilis, очень эффективный аммонификатор. Лучше нее изучена только кишечная палочка (Escherichia coli), наш кишечный симбионт. Сенная палочка – это аэробная бактерия гниения. На ее поверхности находятся ферменты-катализаторы протеазы, выработанные бактерией и используемые для получения жизненной энергии. Протеазы вступают в реакции гидролиза с белками внешней среды и разрушают его пептидные вязи с высвобождением начала крупных цепочек аминокислот, а потом все более мелких. Все, что ей необходимо, поступает в клетку, а что не нужно, отдается. И остаются токсичные вещества – сероводород и аммиак. Именно из-за этих газов места обитания сенных палочек так неприятно пахнут.

Наши соседи

В нашем кишечнике живет примерно 50 триллионов различных микроорганизмов, это где-то два килограмма. А это в 1,5 раза больше, чем общее количество клеток всего организма человека. И кто здесь хозяин, а кто симбионт? Это, конечно, шутка. Но среди этого многообразия соседей есть и бактерии гниения. Польза и вред для организма от них зависит от их количества и патогенности. В нашей ротовой полоти обитает до сорока тысяч бактерий. Кислую среду нашего желудка могут выдержать лактобациллы, некоторые стрептококки и сарцины. В двенадцатиперстную кишку выделяется сок поджелудочной железы с агрессивными пищеварительными ферментами (липазы и амилазы) и делают ее почти полностью стерильной.

В тонком и толстом кишечнике среда щелочная, тут сосредоточена вся масса микрофлоры. Именно тут бактерии помогают нам усваивать витамины (бифидобактерии), синтезировать витамины (К и В) и подавлять патогенную флору (кишечная палочка), расщеплять крахмал и целлюлозу, белки и жиры (аммонифицирующие бактерии) и это далеко не весь список полезных функций наших соседей. С калом каждый человек выделяет порядка 18 миллиардов бактерий, а это больше, чем людей на всей планете. Но те же бактерии могут при определенных условиях вызвать болезни. Именно поэтому многие из них считаются условно патогенными.

Значение бактерий гниения

Первые живые организмы этой планеты, самые эффективные в части занятия всех существующих на планете Земля экологических ниш – бактерии. Они минерализуют почву, делая ее плодородной. Возвращают в круговорот неорганические вещества. Утилизируют трупы и продукты жизнедеятельности всех живых организмов планеты. Обеспечивают человечество природными ресурсами. Делают нашу жизнь легче и помогают в усвоении пищевых компонентов. Этот список можно продолжать еще долго. Конечно, негативное значение гнилостных бактерий также велико. Но природа знала, что делала и наша задача на этой планете не нарушить то хрупкое равновесие, к которому пришел за эти почти четыре миллиона лет мир вокруг нас.

Бактерии обитают везде: на земле и на воде, под землей и под водой, в воздушной среде, в телах других созданий природы. Так, к примеру, в организме здорового взрослого представителя рода людского обитает свыше 10 тысяч видов микроорганизмов, а общая их масса составляет от 1 до 3 процентов всего веса человека. Часть микроскопических созданий в качестве питания используют органику. Среди них значимое место занимают бактерии гниения. Они разрушают останки мертвых тел животных и растений, питаясь данной материей.

Естественный процесс

Разложение органики является естественным процессом и к тому же обязательным, словно бы четко запланированным самой природой. Без гниения невозможен был бы круговорот веществ на Земле. И в любом случае признаки разложения означают появление новой жизни, зарождающейся вначале. Бактерии гниения здесь – важные персоны! Среди всего богатства органических форм жизни именно они отвечают за этот трудоемкий и незаменимый процесс.

Что такое гниение

Суть в том, что сложнейшая по своему составу материя распадается на более простые элементы. Современное представление ученых об этом процессе, превращающем органические соединения в неорганические, можно описать следующими действиями:

• Бактерии гниения обладают метаболизмом, что разрывает химическим путем связи молекул органики, содержащих азот. Процесс питания происходит в форме захвата молекул белка и аминокислот.
• Ферменты, что выработаны микроорганизмами, в процессе расщепления высвобождают аммиак, амины, сероводород из молекул белка.
• Продукты, поступающие в организм бактерии гниения, используются для получения энергии.

Высвобождая аммиак

Круговорот азота – важная составляющая жизни на Земле. А микроорганизмы, в нем участвующие, – одна из самых многочисленных групп. В природных экосистемах они играют основную восстанавливающую роль в минерализации почвы. Отсюда и название – редуцент (что означает "восстанавливающий"). Здесь широко представлены бактерии разложения и гниения аммонифицирующие, то есть способные высвобождать азот из мертвой органики. Это неспорообразующие энтеробактерии, бациллы, спорообразующие клостридии.

Сенная палочка

Bacillus subtilis – одна из самых распространенных и изученных исследователями бактерий. Живет в почве, в основном осуществляет дыхание при помощи кислорода. Состав тела – одна безъядерная клетка. Это довольно крупный микроорганизм, изображение которого можно получить при помощи простого увеличения. Для питания сенная палочка вырабатывает протеазы – ферменты катализации, которые пребывают на внешней оболочке ее клетки. С помощью ферментов бактерия разрушает структуру молекулы белка (пептидную связку аминокислот), тем самым высвобождается аминогруппа. Как правило, этот процесс происходит в несколько этапов и приводит к синтезу энергии в клетке (АТФ). Разложение, вызванное бактериями (гниение), сопровождается образованием токсичных соединений, вредных для человека.

Что это за вещества

В первую очередь это конечные продукты: аммиак и сероводород. Также при неполной минерализации образуются:

• трупные яды (кадаверин, например);
• соединения ароматического характера (скатол, индол);
• при гниении аминокислот, содержащих серу, образуются тиолы, диметилсульфоксид.

Вообще-то, в рамках, контролируемых иммунитетом, процесс разложения – часть пищеварительного процесса для многих животных и для человека. Он происходит, как правило, в толстом кишечнике, и бактерии, вызывающие гниение, играют в нем первостепенную роль. Но в больших масштабах отравление продуктами гниения может привести к плачевным результатам. Человек нуждается в срочной медицинской помощи, промывании кишечника и восстанавливающей микрофлору терапии. К тому же накопление в организме аммиака может инициироваться некоторыми видами бактерий, в том числе и кишечной палочкой. В результате в некоторых тканях накапливается аммиак. Но при нормальном функционировании всех систем он связывается до мочевины и затем выводится из организма человека.

Сапротрофы

Бактерии гниения относят к сапротрофам, наряду с бактериями брожения. И те и другие расщепляют органические соединения – азотсодержащие и углеродсодержащие соответственно. В обоих случаях высвобождается энергия, используемая для питания и жизнеобеспечения микроорганизмов. Без бактерий брожения (к примеру, кисломолочных) человечество не получило бы таких важнейших продуктов питания, как кефир или сыр. Также широко они нашли применение в кулинарии и виноделии.

Но сапротрофные бактерии гниения могут вызывать и порчу продуктов. Данный процесс, как правило, сопровождается обширным выделением углекислот, аммиака, энергии, ядовитых для человека веществ, а также нагреванием субстрата (иногда до самовоспламенения). Поэтому люди научились создавать условия, при которых бактерии гниения утрачивают способность к размножению или просто погибают. К таким предохраняющим продукты мерам можно отнести стерилизацию и пастеризацию, благодаря которым консервация может сохраняться относительно долгое время. Утрачивают свои свойства бактерии и при заморозке продукта. А в древности, когда еще не были известны современные способы, от порчи патогенной микрофлорой продукты предохраняли при помощи высушивания, соления, засахаривания, так как в соленой и сахарной среде микроорганизмы прекращают свою жизнедеятельность, а при сушке удаляется большая часть воды, нужной для размножения бактерий.

Бактерии гниения: значение микроорганизмов в биосфере

Роль бактерий такого рода для всего живого на Земле трудно переоценить. В биосфере, благодаря их аммонифицирующей жизнедеятельности, постоянно идет процесс разложения умерших животных и растений с последующей их минерализацией. Образовавшиеся в результате этого простые вещества и соединения неорганического характера, среди которых углекислый газ, аммиак, сероводород и другие, участвуют в круговороте веществ, служат питанием для растений, замыкают переход энергии от одного представителя флоры и фауны Земли к другому, предоставляя возможность зарождения новой жизни.

Высвобождение азота недоступно для высших растений, и без участия бактерий гниения они не смогли бы полноценно питаться и развиваться.

Бактерии гниения напрямую участвуют в почвообразовательных процессах, разлагая отмершую органику на составные части. Это их свойство играет незаменимую роль в сельском хозяйстве и других видах деятельности человека.

Наконец, без упомянутой жизнедеятельности микроорганизмов поверхность Земли, включая водные пространства, была бы усеяна не разложившимися трупами животных и растений, а их за время существования планеты умерло немалое количество!

Пугающие фото с запечатленными на них разлагающимися трупами высших организмов воспринимаются человеком как бедствие, катастрофа и одно из проявлений вселенского зла. Но после первых реакций, вызванных эмоциями, на выручку приходит здравый смысл и понимание того, что разложение органики – обязательный процесс, без которого невозможен круговорот веществ, и что за каждым гниением видны признаки зарождающейся жизни. Удивление скорее вызывает тот факт, что, как ни богата по своим формам органическая жизнь, единственными на планете Земля организмами, ответственными за ее разложение, являются бактерии.

Что такое разложение

Сама суть процесса разложения заложена в названии. Однако в связи с наличием определенных характерных только для разложения органики признаков, этот вид разложения носит еще одно название – гниение.

То, что в процессе гниения сложная материя разлагается на более простые составляющие, естествоиспытатели установили давно. Но этапы протекания разложения, его продукты и потенциальная опасность для живых организмов устанавливались микробиологами в течение нескольких десятков лет в процессе сложных исследований.

На современном этапе научное представление о разложении органики до простых неорганических соединений с участием бактерий выглядит следующим образом:

1. Существуют бактерии, метаболизм которых предусматривает химическую возможность разрывать связи в молекулах органических соединений с содержанием азота. Они в процессе питания захватывают органические молекулы белка и аминокислот.
2. Вырабатываемые бактериями ферменты протеазы в процессе гидролиза разрывают пептидные связи в белках и в несколько этапов расщепления высвобождают из белковых молекул аммиак, сероводород и некоторые группы аминов.
3. Продукты, которые поступили внутрь бактерии в результате предыдущих химических превращений, используются ею для получения АТФ (энергии).

Микроорганизмы, освобождающие аммиак

Бактерии, которые участвуют в круговороте азота, – одна из самых распространенных групп прокариотических микроорганизмов. В естественных экосистемах они являются микроорганизмами-редуцентами и играют ключевую роль в минерализации почв.

Основными представителями аммонифицирующих бактерий (именно так называют микроорганизмы, способные высвобождать азот из органических соединений) являются некоторые виды спорообразующих клостридий, бацилл и неспорообразующих энтеробактерий.

Так, одна из самых распространенных бактерий – сенная палочка (Bacillus subtilis) – наиболее изученный человеком аммонификатор, наряду с кишечной палочкой Escherichia coli.

Сенная палочка живет в основном в грунте и дышит кислородом. Это достаточно крупный живой организм, состоящий из одной безъядерной клетки. Конечно, обычным фотоаппаратом фото этого микроорганизма не получишь, но изображения именно сенной палочки получить совсем несложно с использованием увеличительных технологий. Для получения жизненной энергии сенная палочка вырабатывает катализирующие ферменты – протеазы, которые находятся на внешней поверхности клеточной стенки бактерии.

Протеазы – белки, которые отвечают за разрушение пептидных связей между аминокислотами в белках (как известно, белок – это связка аминокислот). Находясь на поверхности бактериальной клетки, протеаза вступает в реакцию гидролиза с оказавшейся поблизости азотсодержащей молекулой белка, разрушает пептидную связь между отдельными аминокислотами захваченного белка, высвобождая аминогруппу.

Высвобождение может происходить в несколько этапов с образованием сначала крупных полипептидов, потом все меньше и меньше. Длится это до тех пор, пока вся молекула белка достигает состояния, при котором благодаря транспортным белковым группам самой бактерии необходимые для метаболизма бактерии вещества попадают в цитоплазму клетки и с их участием синтезируется АТФ.

Этот процесс получения бактериями питательных веществ из органических соединений и называется гниением. Чем гниение отличается от других метаболических бактериальных процессов с антропогенной (человеческой) точки зрения? В процессе гниения бактериями образовываются токсичные для человека соединения.

Ядовитые продукты

Человек, зараженный продуктами гниения, нуждается в срочной медицинской помощи. Накапливание в организме токсичного аммиака, одного из продуктов гидролиза аммонификации азотсодержащих белков, инициируется как некоторыми видами клостридий, так и некоторыми энтеробактериями, в том числе и кишечной палочкой Escherichia coli.

В результате метаболизма аммонификаторов в тканях человеческого организма скапливается аммиак. При нормальной работе всех систем организма аммиак в печени связывается до состояния органической мочевины.

Образование мочевины из ядовитого аммиака происходит следующим путем:

• из аммиака высвобождаются атомы азота (первая стадия образования мочевины);
• образуется цитруллин (аминокислота, названная по наименованию арбуза и присутствующая в составе волос млекопитающих) – первая аминогруппа для мочевины;
• отдельно образуется другая аминогруппа мочевины – аспартат (аспарагиновая кислота, которая, кроме образования мочевины, выполняет функцию нейромедиатора);
• завершающей стадией образования мочевины является аргинин (основная аминокислота, которая обуславливает один из процессов формирования ДНК).

Далее путь мочевины лежит в почки и наружу.

Разложение целлюлозы

Одним из основных процессов получения бактерией глюкозы является разложение целлюлозы. Следует отметить, что больше никакие живые организмы, кроме грибов и бактерий, не в состоянии разложить молекулы органического полимера – целлюлозы. Целлюлозолитическими называют бактерии, содержащие в себе ферменты, позволяющие производить разложение целлюлозы.

Такие бактерии есть и в организме человека. Именно они отвечают за переваривание растительной пищи. Ведь клеточные стенки растений по большей части состоят из целлюлозы.

Разложение целлюлозы может осуществляться как кислорододышащими бактериями (аэробами), так и анаэробами. При этом процесс разложения целлюлозы в первом и во втором случае существенно отличается:

• аэробы окисляют молекулы целлюлозы до углекислого газа и воды;
• анаэробы в процессе гидролиза разлагают молекулы целлюлозы до органических кислот, этанола, углекислого газа и водорода.

Среди микроорганизмов, которые участвуют в анаэробном разложении целлюлозы. В рубце (желудке) жвачных животных насчитывается около 200 видов бактерий, отвечающих за различные биохимические процессы.

Работаю врачом ветеринарной медицины. Увлекаюсь бальными танцами, спортом и йогой. В приоритет ставлю личностное развитие и освоение духовных практик. Любимые темы: ветеринария, биология, строительство, ремонт, путешествия. Табу: юриспруденция, политика, IT-технологии и компьютерные игры.